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双闪地热系统与超临界CO2循环、有机朗肯循环的整合及性能比较。通过热力学建模分析，双闪-ORC系统在净功率（10.76MW）、能量效率（15.7%）和exergy效率（61.4%）方面表现最佳，相比基准系统提升51%和13.9%。研究引入Exergetic Sustainability Index（ESI）和Exergoenvironmental Index（EEI）评估环境性能，显示ORC系统在减少exergy destruction（3.31MW，较CO2系统降低32%）和提升可持续性指标方面更具优势。
洪贝托·加西亚·卡斯特利亚诺斯 | 阿拉什·努尔巴赫什·萨达巴德 | 玛丽亚姆·纳姆瓦尔 | 埃尔凡·阿卜杜勒拉乌菲 | 亚沙尔·阿里安法尔 | 萨班·穆萨维·加塞姆卢 | 乔治·路易斯·加西亚·阿尔卡拉兹 | 萨比尔·艾哈迈德 | 法尔汉·拉夫塔·拉希德 | 阿里·凯切巴什
墨西哥国家技术大学工程学院，华雷斯城，奇瓦瓦州，墨西哥
摘要
传统的单闪蒸地热发电厂的热能利用效率有限，尽管最近在集成二次回收回路方面取得了进展，但双闪蒸配置仍尚未得到充分探索。本研究开发并比较了三种先进的地热系统：基本的双闪蒸地热循环、集成有超临界二氧化碳回收回路的双闪蒸地热循环，以及结合有机朗肯循环的双闪蒸地热循环，以提高发电量、能量可持续性和环境性能。在相同的地热边界条件下，使用工程方程求解器进行了详细的热力学建模，同时采用了第一定律和第二定律公式，以及新引入的能量可持续性指数（ESI）和能量环境指数（EEI）作为性能评估指标。结果表明，结合有机朗肯循环的双闪蒸地热循环取得了最佳的整体性能，净发电量为10.76兆瓦，能量效率和能量利用效率分别为15.7%和61.4%，相比基础系统分别提高了51%和13.9%。总能量损失限制在3.31兆瓦，比超临界二氧化碳系统低约32%，而可持续性指标分别达到了1.59和10.23，分别提高了36%和33%。虽然超临界二氧化碳集成使发电量增加了22%，但由于压缩损失，不可逆性也增加了（4.90兆瓦）。能够同时实现冷却和发电的混合系统提供了多功能输出，但能量质量有所下降。
引言
随着全球对可持续和低碳能源系统需求的增长，研究工作也在朝着高效可靠的可再生能源发电技术方向发展[1]。在地热能源中，它作为一种特别可靠且碳中性的选择脱颖而出，能够提供不受气候波动影响的连续基础负荷电力[2]。然而，尽管如此，传统地热发电厂的热效率相对较低，通常在8%到12%之间，这限制了它们在清洁能源组合中的大规模应用[3]。
双闪蒸地热系统（DFGC）因其从高焓储层中提取能量的能力而受到广泛认可，其净发电量比单闪蒸系统高出约15-25%[4]、[5]。然而，仍有相当一部分盐水焓（通常超过30%）作为未利用的热量被排放到回注井中。这一限制促使研究人员探索将DFGC与二次热力学回路结合的混合策略，以回收剩余能量[6]。其中最有前景的两种选择是有机朗肯循环（ORC）和超临界二氧化碳（t-CO2）循环，每种循环都具有独特的热物理优势。t-CO2循环在临界点以上运行，具有较高的传热系数和紧凑的设计；而ORC系统则由于其有利的沸腾特性，在低温范围内能够实现高效转换。因此，将这些回收单元集成到DFGC中已成为提高地热发电厂整体能量和能量利用效率的技术可行途径[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。
多项合作研究已经定量评估了集成超临界CO2回收的混合地热发电厂的热力学行为。El Haj Assad等人[15]对一个与tCO2循环耦合的单闪蒸地热系统进行了完整的能量-能量利用评估。他们的优化配置产生了473.6千瓦的净功率，能量利用效率达到了38.3%，主要不可逆性发生在CO2蒸汽发生器和涡轮机中（分别为182.4千瓦和106千瓦），明确指出了这些组件是改进的目标。Wang等人[16]通过引入回热器改进了单闪蒸-tCO2布置，获得了401.3千瓦的净输出，能量利用效率为32.5%，能量效率为6.5%。与基线工厂相比，这些结果分别提高了2.7倍和167%。Aryanfar和Alcaraz[17]使用遗传算法和Nelder-Mead算法进一步优化了单闪蒸-tCO2循环的分离器和涡轮机入口压力，将能量利用效率从32.5%提高到39.2%，然后在受限条件下进一步提高到36.2%。同样，Huang等人[11]对类似的混合配置进行了热经济评估。他们的基线单闪蒸单元产生了94.5千瓦的功率，而集成的tCO2系统产生了195.1千瓦的功率，峰值能量利用效率为48.2%，输出提高了约2.1倍，能量损失降低了45%。总体而言，这些研究表明tCO2耦合显著提高了地热能的利用效率，主要得益于其优越的传热特性和在超临界膨胀区域内的较低熵生成。
尽管在将单闪蒸地热系统与二次回收单元结合方面取得了显著进展，但对双闪蒸配置的研究仍然相对有限。Sarr和Mathieu-Potvin[18]评估了应用于双闪蒸工厂的六种中间加热方案，并根据分离器压力的调整展示了高达6-8%的热效率提升。Salehi等人[19]将双闪蒸配置与海水淡化和吸收热转换集成，实现了约12%的综合功率-淡水效率，突显了混合利用的潜力。Tian等人[20]提出了一个基于双闪蒸的热电联产系统，其能量利用效率相比基线情况提高了近17%。Feili等人[21]引入了共沸喷射器制冷循环与双闪蒸系统结合，由于双蒸发器中的更好热匹配，报告了9.4%的能量效率提升。除了这些针对配置的研究外，一些近期工作还开始将双闪蒸布局扩展到更广泛的多联产、非设计条件和4E（能量-能量利用-经济-环境）评估，这些都与本文的研究范围更为接近。Yilmaz等人[22]开发了一个结合地热辅助的多联产工厂，与再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环集成，报告了14.09%的能量效率和23.35%的能量利用效率，同时产生了电力、氢气、淡水、冷却和加热，证明了具有环境性能评估的地热驱动多联产平台的可行性。在后续研究中，Yilmaz等人[23]对基于地热的多联产配置进行了参数化的能量-能量利用-环境分析，表明系统性能对源温度变化和组件级别的不可逆性非常敏感，强调了在混合地热系统中需要先进的热力学建模和可持续性指标。Li等人[24]为超临界CO2系统开发了一个非设计框架，由地热热能驱动，表明在源温度波动时必须连续调整最佳运行压力和泵速，这是经典双闪蒸分析中几乎从未考虑过的方面。Y?lmaz等人[25]提出了一个基于DFGC的多联产工厂，将两个蒸汽涡轮机与tCO2朗肯子循环、PEM电解器、生活用水加热和干燥单元结合；他们报告了4,431千瓦的净功率和总体能量及能量利用效率分别为26.2%和37.5%，证实了DFGC是多输出地热系统的稳健顶置循环。Hai等人[26]后来用Kalina-plus-TEG尾部替换了二元部分，获得了35.6%的能量利用效率和1.55的可持续性指数，证明了可以在不牺牲环境性能的情况下构建废热级联的双闪蒸系统。同时，Castellanos等人[14]在单闪蒸和双闪蒸试验台上证实，添加一个回收的tCO2回路可以将净功率大约翻倍，并将能量效率提高45-65%，但也将能量损失的热点转移到了CO2蒸汽发生器和气体冷却器，这需要在组件级别进行优化。更先进的集成[27]甚至将DFGC-tCO2系统与反渗透海水淡化结合，实现了22%的能量效率提升和22%的功率输出增加，尽管由于超临界回路和淡化泵中的额外不可逆性，能量利用效率略有下降（2-5%）。关于独立双闪蒸工厂的并行4E研究[28]报告了约13%的能量效率和超过50%的能量利用效率，以及适合区域供热的较高冷凝热率，表明混合DFGC平台不仅可以与仅发电的布局进行比较，还可以与热回收和热电联产基线进行比较。最后，Mohammadi和Fallah[29]对集成有ORC、吸收冷却和TEG模块的DFGC进行了能量利用研究，表明高达35%的总能量损失是可以避免的，并且主要是内源性的，因此仍缺乏在相同热力学框架内对DFGC-tCO2、DFGC-ORC和DFGC-Kalina选项进行比较的研究。
尽管之前的研究已经证实，将单闪蒸地热系统与二次回收单元结合可以提高发电量，但这些研究大多针对特定配置，在不一致的边界条件下进行，并且通常仅使用传统的第一定律和第二定律指标进行评估。因此，当应用于双闪蒸地热循环（DFGC）时，混合回收选项的热力学行为、不可逆性结构和可持续性排名仍然了解不足。鉴于DFGC提取了更多的资源能量，但仍然会排放大量剩余热量，文献中缺失的关键要素不是另一种孤立的混合布局，而是一个类似比较的、边界一致的框架，能够揭示不同的回收回路热物理特性如何影响能量损失、环境性能和整体系统可持续性。为了解决这一差距，本研究开发了一个基于EES的统一热力学建模平台，在该平台上，参考DFGC、DFGC-tCO2系统、DFGC-ORC系统和DFGC-ORC-CCP配置在相同的地热条件、一致的组件模型、真实气体属性和组件级别的能量利用核算下进行了模拟。能量和能量利用平衡与两个互补的可持续性指标——能量可持续性指数（ESI）和能量环境指数（EEI）相结合，使得性能评估超越了传统的效率指标，并将热力学不可逆性与环境相关性联系起来。分析表明，超临界CO2循环通过提高功率密度来弥补较高的压缩相关不可逆性，而ORC集成改善了热匹配并减少了能量损失，而CCP配置扩展了系统的多功能服务。因此，本研究的科学创新和新颖之处在于：（1）首次在同一建模环境中对DFGC-tCO2和DFGC-ORC回收架构进行了边界一致的统一热力学比较；（2）首次将ESI和EEI作为联合决策支持指标用于排名双闪蒸地热混合系统；（3）在相同假设下首次定量证明了回收回路热物理属性如何决定高焓DFGC工厂的能量损失结构和可持续性性能。
材料与方法
为了确保对混合地热配置进行一致和透明的评估，本研究建立了一个统一的热力学建模框架。采用的方法论将系统级配置分析与基于组件的热力学公式结合，在相同的地热边界条件下进行。在此框架中，基本的双闪蒸地热循环（DFGC）作为参考架构，而三种二次回收途径（超临界CO2）
结果与讨论
在相同的地热资源和边界条件下，对四种设计的地热发电配置进行了热力学性能分析，即基本的双闪蒸地热循环（DFGC）、集成有超临界CO2回收的DFGC（DFGC-tCO2）、与有机朗肯循环（DFGC-ORC）耦合的DFGC，以及多功能DFGC-ORC-CCP混合系统，以评估它们的比较能量、能量利用和可持续性特征。
结论
本研究对四种双闪蒸地热发电配置进行了全面的热力学和能量环境评估：基础DFGC、DFGC-tCO2、DFGC-ORC和DFGC-ORC-CCP，旨在提高高焓地热系统的能量回收和可持续性。这项工作的创新之处在于在相同的地热边界条件下统一比较了超临界CO2和有机朗肯底部集成
CRediT作者贡献声明
洪贝托·加西亚·卡斯特利亚诺斯：方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。阿里·凯切巴什：写作——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、概念化。亚沙尔·阿里安法尔：写作——审阅与编辑、撰写——初稿、项目管理、形式分析、概念化。埃尔凡·阿卜杜勒拉乌菲：写作——审阅与编辑、软件、概念化。玛丽亚姆·纳姆瓦尔：写作——审阅与编辑、方法论
数据可用性声明
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? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
